Аэробное и анаэробное окисление микроорганизмов

Как известно, Fe²⁺ подвергается быстрому химическому окислению молекулярным кислородом при pH>5,5, что приводит к образованию нерастворимого Fe(OH)₃. Последний вместе с Fe²⁺ неспецифически связывается клеточными кислыми экзополимерами. Подобный тип накопления железа не зависит от метаболической активности клеток.

Mn²⁺ более устойчив к окислению O₂, чем Fe²⁺. Его химическое окисление (Mn^{2+ ®} Mn⁴⁺) молекулярным кислородом с заметной скоростью происходит только при pH>8,5. Поэтому в нейтральной среде окисление марганца имеет только ферментативную природу. Окисление Fe²⁺ и Mn²⁺ с последующим отложением нерастворимых окислов вокруг бактериальных клеток может быть результатом взаимодействия ионов металлов с продуктами бактериального метаболизма, в частности с H₂O₂, образующейся в процессе окисления органических веществ при переносе электронов по дыхательной цепи. Перекись водорода, возникающая в качестве промежуточного или конечного продукта окисления, выделяется из клеток и накапливается в окружающих их структурах. В нейтральной или слабокислой среде окисление Fe²⁺ до Fe³⁺ происходит в результате непосредственного взаимодействия с H₂O₂:

2Fe²⁺ + H₂O₂ + 2Н⁺ ® 2Fe³⁺ + 2H₂O.

Окисление марганца при взаимодействии с H₂O₂ осуществляется при участии каталазы, выполняющей пероксидазную функцию. Mn²⁺ в этом случае служит донором электронов:

Mn²⁺ + 2H₂O₂ ® MnO₂ + 2H₂O.

Описанные выше процессы протекают в капсулах, чехлах, слизистых выделениях, на поверхности  клеточной стенки, в которых концентрируются  все компоненты реакции: восстановленные  формы железа и марганца, перекись водорода, каталаза. Физиологический  смысл процессов окисления Fe²⁺ и Mn²⁺ с участием H₂O₂ — детоксикация вредного продукта метаболизма. Ни в одном случае окисление железа и марганца не приводит к получению бактериями энергии.

Наконец, среди  железобактерий есть организмы, у которых  окисление Fe²⁺ связано с получением энергии. В этом случае отложение окислов железа служит показателем активности энергетических процессов. Возможность получения энергии бактериями при окислении Mn²⁺ экспериментально не доказана.

В изучении железобактерий в последнее время достигнуты большие успехи, связанные с получением чистых культур ряда этих организмов. Стало понятным, что это разнообразная  группа бактерий, способных окислять и откладывать окислы железа и/или  марганца вне или иногда внутри клетки⁶⁶. H₂ основании морфологических характеристик все железобактерии могут быть разделены на две группы: нитчатые и одноклеточные.

⁶⁶ К железобактериям, откладывающим железо внутри клетки, относятся магнитотактические бактерии.

К первой группе относятся грамотрицательные нитчатые бактерии, окруженные чехлом. Наиболее широко распространены представители  родов Leptothrix и Sphaerotilus (см. рис. 44, 1, 2). Нити неподвижные или передвигающиеся скольжением. В чехлах, окружающих нити, накапливаются окислы железа и марганца (Leptothrix) или только железа (Sphaerotilus и др.).

Железобактерии  этой группы — облигатные аэробы, но могут удовлетворительно расти  при низком содержании O₂ в среде. Оптимальный pH для роста — 6–8. Единственно возможный способ существования — хемоорганогетеротрофия, при этом представители рода Sphaerotilus предпочитают условия с относительно высоким содержанием органических веществ, а многие штаммы Leptothrix — среды с низким уровнем органики.

Окисление железа и марганца и отложение их окислов  в чехлах этих бактерий не связано  с получением ими энергии. К окислению Fe²⁺ при pH 6–8 могут приводить процессы как химической, так и биологической природы. Окисление марганца в этих условиях имеет биологическую природу. В обоих случаях окисление связано с действием перекиси водорода, количество которой в среде в определенных условиях может достигать 10–20 мг/л. Процесс локализован в чехлах, где концентрируются продукты метаболизма и внеклеточные ферменты. У мутантов, лишенных чехлов, накопления окислов железа и марганца не происходило. Таким образом, с помощью восстановленных форм железа и марганца обеспечивается удаление H₂O₂ — токсического продукта клеточного метаболизма.

Помимо бесцветных к нитчатым железобактериям относятся  и некоторые фотосинтезирующие  эубактерии из группы цианобактерий  и скользящих зеленых бактерий.

Вторая группа железобактерий включает одноклеточные  организмы из разных таксонов. Она  представлена эубактериями с грамположительным  и грамотрицательным строением  клеточной стенки или без нее, размножающимися поперечным делением или почкованием. Клетки разной формы  и размеров (форма может меняться в зависимости от стадии и условий  роста), одиночные или формирующие  скопления, окруженные капсулами, в  которых откладываются окислы железа и марганца. Принадлежащие к этой группе железобактерии распадаются  на две подгруппы, различающиеся  типом метаболизма и отношением к кислотности среды.

Первая подгруппа  объединяет железобактерии, растущие в. нейтральной или слабощелочной  среде и характеризующиеся хемоорганогетеротрофным  типом метаболизма. Представители  подгруппы — свободноживущие  микоплазмы, объединенные в роды Metallogenium, Gallionella, Siderococcus. Им свойствен типичный для микоплазм полиморфизм: кокковидные клетки, от которых могут отходить тонкие нити, пучки переплетенных тонких нитей и т. д. H₂ поверхности нитей откладываются окислы железа (Gallionella, Siderococcus) или железа и марганца (Metallogenium). Растут в нейтральной или кислой среде. Некоторые из них олиготрофы. Все — аэробы или микроаэрофилы. Отложение окислов железа и марганца — результат химических реакций или функционирования перекисного пути и не имеет отношения к получению клетками энергии.

Вторую подгруппу  составляют в большинстве аэробные ацидофильные формы. Оптимальный pH их роста лежит ниже 4,5 (2–3). В этих условиях Fe²⁺ в присутствии O₂ устойчиво к химическому окислению. Для ацидофильных железобактерий установлена способность получать энергию в результате окисления двухвалентного железа.

Основным представителем железобактерий с энергетическим метаболизмом хемолитотрофного типа является Thiobacillus ferrooxidans, относящийся к группе тионовых бактерий и обладающий способностью получать энергию также в результате окисления различных восстановленных соединений серы. Окислять закисное железо с получением клеткой энергии способна и выделенная недавно облигатно ацидофильная бактерия Leptospirillum ferrooxidans, близкая по ряду свойств к Т. ferrooxidans, но в отличие от последнего не окисляющая соединения серы.

Leptospirillum ferrooxidans и большинство изученных штаммов Т. ferrooxidans принадлежат к облигатным хемолитоавтотрофам, использующим энергию окисления железа для ассимиляции CO₂, служащей основным или единственным источником углерода. Некоторые штаммы Т. ferrooxidans оказались способными расти на средах с органическими соединениями, являясь, таким образом, факультативными хемолитоавтотрофами. Наконец, описаны термофильные бактерии, получающие энергию в результате окисления Fe²⁺ и нуждающиеся для роста в органических соединениях, т. е. осуществляющие метаболизм хемолитогетеротрофного типа.

Окисление железа, приводящее к получению энергии, происходит в соответствии с уравнением

2Fe²⁺ + 1/2O₂ + 2Н⁺ ® 2Fe³⁺ + H₂O,

что сопровождается незначительным изменением уровня свободной  энергии (DG₀' при pH 2 равно — 33 кДж/моль). Поэтому для обеспечения энергией клетке необходимо "переработать" большие количества железа.

Механизм окисления Fe²⁺ в дыхательной цепи изучен у Т. ferrooxidans. Дыхательная цепь этой бактерии содержит все типы переносчиков, характерные для дыхательной системы аэробных хемоорганотрофных эубактерий, но участок цепи, связанный с получением энергии, очень короток (рис. 98, А).

Окисление Fe²⁺ происходит на внешней стороне ЦПМ; в цитозоль через мембрану железо не проникает. Электроны с Fe²⁺ акцептируются особым медьсодержащим белком — рустицианином, находящимся в периплазматическом пространстве.

Затем с рустицианина они передаются на цитохром c, локализованный на внешней стороне ЦПМ, а с него на цитохром a₁, расположенный на внутренней стороне мембраны. Перенос электронов с цитохрома a₁ на 1/2O₂, сопровождающийся поглощением из цитоплазмы 2H⁺, приводит к восстановлению молекулярного кислорода до H₂O. Особенность дыхательной цепи Т. ferrooxidans — отсутствие переноса через мембрану протонов, а перенос только электронов. Градиент H⁺ по обе стороны ЦПМ поддерживается как за счет поглощения протонов из цитоплазмы, так и в результате низкого pH внешней среды, в которой обитают эти бактерии. Синтез АТФ происходит за счет движения H⁺ из внешней среды в цитоплазму через АТФ-синтазный комплекс. Движущей силой служит в основном DpH. Для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо окислить как минимум 2 молекулы Fe²⁺.

Образование восстановителя происходит в результате энергозависимого обратного переноса электронов. Активность участка дыхательной цепи, обеспечивающей обратный электронный транспорт, на порядок ниже активности короткого  участка, функционирование которого приводит к получению энергии. В целом  для фиксации 1 молекулы CO₂ в восстановительном пентозофосфатном цикле необходимо окислить больше 22 молекул Fe²⁺. Таким образом, из всех представителей эубактерий, у которых обнаружена способность к окислению железа и/или марганца, только облигатно ацидофильные формы могут использовать энергию окисления Fe²⁺ для ассимиляции CO₂, т. е. существовать хемолитоавтотрофно. Именно они являются истинными железобактериями, соответствуя тому названию, которое было введено С. Н. Виноградским.

Для остальных  организмов образование окислов  железа и марганца не связано с  получением энергии и происходит в результате неспецифических реакций  ионов металлов с продуктами метаболизма, прежде всего продуктами неполного  восстановления O₂. Неспецифичность функции перекисного окисления железа и марганца, проявляющейся у широкого круга эубактерий, ставит вопрос о правомерности использования термина "железобактерии" в значении, предложенном X. Молишем. Некоторые авторы в связи с этим считают целесообразным для обозначения остальных организмов использовать названия "железоокисляющие" и "марганецокисляющие" бактерии.

Эубактерии, описанные  в этом разделе, широко распространены в природе и могут существовать в большом диапазоне условий. Облигатные ацидофилы обнаружены в  подземных водах сульфидных месторождений, кислых водах железистых источников и кислых озерах с высоким содержанием  закисного железа. Нитчатые формы  также занимают вполне определенные экологические ниши. Представители  рода Leptothrix — обитатели олиготрофных железистых поверхностных вод, Sphaerotilus предпочитают среды с высоким содержанием органических веществ.

Нитрифицирующие бактерии

Получают энергию  в результате окисления восстановленных  соединений азота (аммиака; азотистой  кислоты). Впервые чистые культуры этих бактерий получил С. Н. Виноградский в 1892 г., установивший их хемолитоавтотрофную  природу. В IX издании Определителя бактерий Берги все нитрифицирующие бактерии выделены в семейство Nitrobacteraceae и  разделены на две группы в зависимости  от того, какую фазу процесса они  осуществляют. Первую фазу — окисление  солей аммония до солей азотистой  кислоты (нитритов) — осуществляют аммонийокисляющие бактерии (роды Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus и др.):

NH₄⁺ + 1,5O₂ ® NO₂ ^– + H₂O + 2H⁺.

Вторую фазу — окисление нитритов до нитратов — осуществляют нитритокисляющие бактерии, относящиеся к родам Nitrobacter, Nitrococcus и др.:

NO₂ ^– + 1/2O₂ ® NO₃ ^– .

Группа нитрифицирующих  бактерий представлена грамотрицательными организмами, различающимися формой и  размером клеток, способами размножения, типом жгутикования подвижных форм, особенностями клеточной структуры, молярным содержанием ГЦ-оснований ДНК, способами существования.

Все нитрифицирующие  бактерии — облигатные аэробы; некоторые  виды — микроаэрофилы. Большинство  — облигатные автотрофы, рост которых  ингибируется органическими соединениями в концентрациях, обычных для  гетеротрофов. С использованием ¹⁴C-соединений показано, что облигатные хемолитоавтотрофы могут включать в состав клеток некоторые органические вещества, но в весьма ограниченной степени. Основным источником углерода остается CO₂, ассимиляция которой осуществляется в восстановительном пентозофосфатном цикле. Только для некоторых штаммов Nitrobacter показана способность к медленному росту в среде с органическими соединениями в качестве источника углерода и энергии.

Процесс нитрификации локализован на цитоплазматической и внутрицитоплазматических мембранах. Ему предшествует поглощение NH⁴⁺ и перенос его через ЦПМ с помощью медьсодержащей транслоказы. При окислении аммиака до нитрита атом азота теряет 6 электронов. Предполагается, что на первом этапе аммиак окисляется до гидроксиламина с помощью моно-оксигеназы, катализирующей присоединение к молекуле аммиака 1 атома O₂; второй взаимодействует, вероятно, с НАД-H₂, что приводит к образованию H₂O: